壓力表圖像自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)研究
為了提高儀表人為讀數(shù)的速度和精確度，提出首先對(duì)儀表圖像進(jìn)行二值化、濾波等基本處理；然后通過(guò)圖 像分割得到感興趣的表盤(pán)區(qū)域，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)平移翻轉(zhuǎn)和極坐標(biāo)變換的歸一化算法，將圓形表盤(pán)轉(zhuǎn)化成矩形指針表盤(pán)； 再利用圖像拼接算法得到無(wú)指針的表盤(pán)刻度矩形圖像，并且通過(guò)直線掃描出每個(gè)刻度線；接著通過(guò)模板匹配，將待 檢測(cè)圖像與無(wú)指針模板對(duì)比，從而檢測(cè)出圖像指針位置信息，得出指針讀數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用這種圖像處理技 術(shù)使得識(shí)別速度更快，精確度也更高。
指針式儀表由于其特殊結(jié)構(gòu)具有制造成本低、 精確度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，因而在諸多場(chǎng)合得以運(yùn)用。目 前，對(duì)于這種儀表自動(dòng)讀數(shù)的技術(shù)，有的研究人員提 出通過(guò)角度轉(zhuǎn)換求出指針位置，再用Hu不變矩陣 作為圖像特征來(lái)實(shí)現(xiàn)指針讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別，但是這 種算法比較復(fù)雜，識(shí)別速度不是很快；有的研究提出 利用快速霍夫變換，通過(guò)限制搜索范圍來(lái)降低霍夫 的搜索量，但是這種方法比較復(fù)雜，而且識(shí)別準(zhǔn)確 率不是很高，文獻(xiàn)提出通過(guò)最大灰度的相減來(lái)識(shí) 別指針的位置，這種算法看似簡(jiǎn)單，但是識(shí)別準(zhǔn)確率 也不是很高，而且對(duì)光照強(qiáng)度非常敏感，其通用性不 是很高。本文檢測(cè)的對(duì)象是石油化工中常用的耐振 壓力表，先通過(guò)對(duì)采集到的壓力表圖像進(jìn)行簡(jiǎn)單預(yù) 處理，然后創(chuàng)新地運(yùn)用極坐標(biāo)變換算法將圓弧形指 針圖像矩形化，接著通過(guò)圖像拼接制作出無(wú)指針的 刻度模板，再通過(guò)模板匹配進(jìn)行讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別。
1.儀表指針識(shí)別系統(tǒng)組成
本實(shí)驗(yàn)由于對(duì)檢測(cè)的結(jié)果要求較高，在圖像系 統(tǒng)中加入碗狀光源，采用GIGE工業(yè)相機(jī)來(lái)獲得高 清晰圖像，采集到的圖像通過(guò)千兆網(wǎng)口實(shí)時(shí)傳給計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)各種算法處理，將最終檢測(cè)到的壓力 表的讀數(shù)顯示出來(lái)，通過(guò)校對(duì)機(jī)構(gòu)鑒定系統(tǒng)的誤差 大小來(lái)適當(dāng)調(diào)整識(shí)別系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)（圖1)主要分為以下3各部分。
被測(cè)壓力表和校對(duì)壓力表固定部分。通過(guò)前 期調(diào)整壓力表的方向和位置，使得其和相機(jī)處于合 適的位置，并將其固定，防止后續(xù)拍攝的圖像發(fā)生偏 移而導(dǎo)致檢測(cè)誤差。檢測(cè)后的結(jié)果通過(guò)校對(duì)壓力表 進(jìn)行校對(duì)，然后進(jìn)行算法的改進(jìn)。
圖像采集系統(tǒng)部分。系統(tǒng)采用深圳彩視能科 技有限公司的GIGE工業(yè)相機(jī)，并加入了碗狀光源， 防止外界自然光的變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生干擾。
計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)部分。工控機(jī)與相機(jī)通過(guò)千 兆以太網(wǎng)通信協(xié)議進(jìn)行通信，圖像系統(tǒng)采集到的高 清晰圖像可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)傳送給工控機(jī)，工控機(jī)通過(guò) VS調(diào)用相機(jī)自帶的SDK軟件包來(lái)控制相機(jī)，然后 計(jì)算機(jī)通過(guò)各種圖像處理算法得到被測(cè)壓力表的讀 數(shù)，通過(guò)MFC界面顯示出來(lái)。
2.圖像處理與指針自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)
指針識(shí)別系統(tǒng)主要由5個(gè)算法處理模塊組成， 其流程如圖2所示。由于人工安裝時(shí)的誤差，被測(cè) 壓力表和工業(yè)相機(jī)不可能處于絕對(duì)的平行位置，所 以在進(jìn)行圖像預(yù)處理前需要通過(guò)適當(dāng)?shù)男Ｕ?。?jīng)過(guò) 灰度化和濾波預(yù)處理，然后圖像分割得到表盤(pán)ROI 圖像。再通過(guò)簡(jiǎn)單的直角坐標(biāo)系運(yùn)算坐標(biāo)平移和翻 轉(zhuǎn)，將表盤(pán)指針回轉(zhuǎn)中心和直角坐標(biāo)原點(diǎn)重合。此時(shí)，壓力表的圓形圖像再經(jīng)過(guò)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法可以 轉(zhuǎn)換成一個(gè)矩形圖像，再由兩副不同位置的指針圖 像經(jīng)過(guò)圖像拼接算法得到指針刻度的模板，最后利 用直線掃描法，自上至下掃描出刻度線，即可將不同 位置指針矩形圖像與該模板進(jìn)行匹配，進(jìn)而得到指 針的讀數(shù)。
2.1前期處理
在將被測(cè)壓力表固定到檢測(cè)臺(tái)上的時(shí)候，由于 是人為操作，只能大致保證表盤(pán)與相機(jī)鏡頭處于平 行的位置，因此，采集到的表盤(pán)不會(huì)是垂直或者水平 的，必然一側(cè)會(huì)向鏡頭有所偏移，若表盤(pán)發(fā)生偏移， 通過(guò)圖像分割處理時(shí)就有可能會(huì)將表盤(pán)刻度去掉 了，而保留了一些無(wú)關(guān)的背景圖像。
因此，在對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理之前先要進(jìn)行圖像 傾斜校正，可以通過(guò)拍攝一幅傾斜的圖像經(jīng)過(guò)霍夫 圓檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)到的圓和實(shí)際表盤(pán)上圓盤(pán)位置的 區(qū)別將鏡頭調(diào)整到完全與表盤(pán)平行，這樣，在后面的 圖像分割時(shí)就能完整保留表盤(pán)刻度?；舴驁A檢測(cè)就 是將表盤(pán)上的圓形映射到另一個(gè)坐標(biāo)空間里的一個(gè) 點(diǎn)形成一個(gè)峰值，由此將檢測(cè)圓形表盤(pán)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)計(jì) 峰值。這種變換計(jì)算量較小，也可以迅速檢測(cè)到表 盤(pán)圓的偏移，從而進(jìn)行相應(yīng)的校正。
本研究使用的相機(jī)采集到的是24位彩色圖像， 而這里只需要得到指針對(duì)于表盤(pán)刻度的相對(duì)位置。 為了減少計(jì)算量，提高圖像處理速度，可以首先對(duì)圖 像灰度化，將相機(jī)采集到的24位圖像轉(zhuǎn)換成8位的 灰度圖。選用平均值法，計(jì)算出相鄰3個(gè)像素分量 的平均值，然后使每個(gè)分量值均等于這3個(gè)值的平 均值，即：R = G = B = (R + G + B')/3 由于本研究選擇的是儀表指針圖像，其細(xì)節(jié)不是特別多，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后只要能提取出完整的目標(biāo) 圖像即可，因此采用最常用的中值濾波算法。本文 先選用3X3的模板，然后再選用5X5，發(fā)現(xiàn)3X3 的模板就能得到很好的濾波效果。即通過(guò)9個(gè)像素 點(diǎn)的像素值相加求平均值得到3X3模板的正中間 的像素值，并替換掉原來(lái)的像素值。其公式表示 如下：
Np(“i) = {pa ~ i>j —1) + ^(^ — i?y) + p (，j — 1) + p(a j) + p (^ > j + i) + p(a +1 > j) + p
(( + 1,j — 1) +p(i + 1 j') +p(i + 1,j +1)}/9
2.2圖像分割
表盤(pán)圖像分割是指針自動(dòng)識(shí)別至關(guān)重要的預(yù)處 理，沒(méi)有正確的分割，指針識(shí)別讀數(shù)就會(huì)有較大的誤 差。圖像分割就是從背景圖像中分割出指針和刻度 線等重要儀表信息，以便后面的指針自動(dòng)識(shí)別。圖 像分割方法有基于邊緣的分割方法和基于閾值的分 割方法。
由于感興趣的部分指針和刻度線均是直線，因 此，首先嘗試基于邊緣的分割方法——霍夫直線變 換算法。通過(guò)霍夫直線檢測(cè)能很容易檢測(cè)到指針和 刻度線，但是由于耐震壓力表的刻度線很密集，在采 用霍夫直線變換時(shí)計(jì)算量較大，導(dǎo)致處理速度過(guò)慢， 而且在此檢測(cè)裝置中，要求能實(shí)時(shí)拍照檢測(cè)，并自動(dòng) 識(shí)別指針讀數(shù)，這種方法就不是很適合。由于采集 到的表盤(pán)圖像中指針和刻度線的灰度值很接近而且 都比較小，故采用基于閾值的分割方法。
在此指針識(shí)別系統(tǒng)中，由于壓力表的量程有很 多種，而且每種表盤(pán)的材質(zhì)和顏色各有不同，再加上 環(huán)境光照的影響，如果采用固定閾值分割，針對(duì)每種 量程的壓力表可能就要專(zhuān)門(mén)設(shè)置一個(gè)閾值，沒(méi)有很 好的通用性。因此，采用一種自適應(yīng)的閾值分割方 法——最大類(lèi)間方差法，通過(guò)目標(biāo)與背景的最大 方差求得自適應(yīng)閾值。這種方法的步驟如下：
2.3表盤(pán)圖像歸一化
經(jīng)過(guò)上面的圖像處理后得到了指針和刻度線的 表盤(pán)圖像，根據(jù)指針和刻度線的扇形分布，在實(shí)際中 使用圓掃描時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。首先，由于采用 200萬(wàn)高清相機(jī)，采集到的圖像分辨率會(huì)大于指針 和刻度線的寬度，導(dǎo)致指針和每個(gè)刻度線與掃描圓 的交點(diǎn)不止一個(gè)，這就會(huì)產(chǎn)生識(shí)別誤差。其次，由于 被測(cè)的是石油工業(yè)的耐震壓力表，在表盤(pán)里面有一 些油液的填充物保證其測(cè)量精度，在圓掃描時(shí)，由于 油液遮擋了垂直向上方向的刻度線的一部分，可能 導(dǎo)致某些刻度線掃描不出來(lái)。然而圖像歸一化算法 就很容易解決圓掃描所引起的識(shí)別誤差，因此，圖像 歸一化算法是指針識(shí)別系統(tǒng)中至關(guān)重要的一 部分。
圖像采集系統(tǒng)傳遞給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的圖像一般都 是矩陣形式的，假設(shè)此矩陣在直角坐標(biāo)系中表示為 J(:r，；y)，圓形表盤(pán)指針的旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)為（X，Y)。 首先通過(guò)坐標(biāo)平移，將表盤(pán)圖像IU，y)平移至使 旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)和直角坐標(biāo)系原點(diǎn)重合；然后是坐標(biāo) 翻轉(zhuǎn)，假設(shè)經(jīng)過(guò)平移后得到的圖像表示為Hy)， 其翻轉(zhuǎn)后的圖像為廣(，：y );最后經(jīng)過(guò)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，最終圖像表示為rpe、。
通過(guò)表盤(pán)圖像歸一化處理后，圓形的指針和刻 度線圖像轉(zhuǎn)變成了矩形圖像。為了能夠得到刻度線 模板，利用圖像拼接算法，即在不變的環(huán)境條件下， 采集處于零刻度時(shí)的表盤(pán)圖像，立刻通過(guò)施壓裝置 給壓力表施加一定的壓力，此時(shí)，指針偏轉(zhuǎn)一定的角 度，采集此時(shí)表盤(pán)圖像，然后利用圖像拼接算法，拼 接零刻度圖像的后半部分和指針偏轉(zhuǎn)圖像的前半部 分，即可得到無(wú)指針只有刻度線的模板。
由于此時(shí)的刻度線模板是矩形的，所有的刻度 線均是垂直分布的，利用直線掃描算法從上至下掃 描所有的刻度線即可得到刻度線的位置信息。對(duì)于 任意指針位置的圖像，便可以與無(wú)指針的刻度線模 板進(jìn)行匹配，得到指針的位置信息，通過(guò)與刻度線位 置進(jìn)行對(duì)比分析，即可進(jìn)行讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別。圖3是 兩張檢測(cè)結(jié)果圖像。
3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本文提出的指針讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別算法，是在 vs2010 + opencv2.4環(huán)境下以石油工業(yè)中所用的耐震壓力表為例，測(cè)試了指針讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的效 果。整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)速度快，識(shí)別誤差率低，能滿(mǎn)足工 業(yè)中實(shí)時(shí)檢測(cè)識(shí)別的要求。整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
4.結(jié)論
在指針式儀表自動(dòng)識(shí)別的研究中，本文從機(jī)器 視覺(jué)的研究出發(fā)，利用圖像分割算法、圖像歸一化算 法、圖像拼接算法和模板匹配算法等，實(shí)現(xiàn)指針式儀 表讀數(shù)的自動(dòng)識(shí)別。與校對(duì)表的測(cè)試比對(duì)表明，該 方案識(shí)別速度快，而且準(zhǔn)確率高。這種指針式儀表 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)在石油化工生產(chǎn)、電力運(yùn)行等不允許 使用數(shù)顯表的領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。
